电弧

电弧1.概述开关电器的基本功能就是能够在所要求的短时间内分合电路，即起所谓开关的作用，机械式开关设备是用触头来开断电路电流的，在大气中开断电路时，只要电压超过12—20V，被开断的电流超过0.25—1A，在触头间隙(也称弧隙)中通常产生一团温度极高、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧。一直到电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质后，电流才被开断。发生在开关设备中的电弧简称为开关电弧。这种开关电弧现象，也即电弧燃烧和熄灭过程是开关电器最重要的内容。所谓开关作用，就是在具有一定电位的导体电路的一部分上进行导体与绝缘体的相互迅速变换。从原理上讲，作为具有这种功能的电路元件，除可分触头外、还有由半导体、超导、真中电子流等物理现象所构成的元件。从开关电器发展的初期，不希望在开断电路时触头间隙产生电弧，认为电弧的产生，一方面使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面，将烧损触头以及可能破坏绝缘，在最严重的情况下，甚至能引起开关电路的爆炸和火灾。因此，研究电弧，不在于如何利用电弧的特性．而在于采取怎样的措施使电弧不产生，或者产生后使电弧存在时间尽量缩短。简言之，研究电弧的目的是为了尽快地熄灭电弧。从导体到绝缘体的相互变换这个开关作用的根本观点来看，电弧具有极为重要的特性，对于高电压大电流电路的分合来说，只有产生电弧才能完成这个作用，这样一种观点作为开关电器的理论基础是极为重要的。开关电弧是等离子体的一种形式，属低温等离子体。开关电器中电弧的熄灭就是要积极地利用电弧等离子体的温度控制来实现，对于高电压大电流电路来说、只有产生电弧、才能实现对电弧等离子体的温度控制。对于开关电器而言，希望它反有如下特件；（1）电导率的变化范围尽可能大，即要在导体与完全绝缘体之间变化；（2）电导率的变化速度尽可能快。前一项特性在本质上决定于等离子体的材料，因此，引进新的灭弧介质是取得技术进步的关键。后一项特性虽然也在较大程度上决定于等离子体的材料，但更易于受到等离子体控制方法的影响，作为开关电器核心部分的灭弧室的作用正在于对电弧等离子体的控制，加速其电导率的变化。2.电弧现象电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体。等离子体是与固体、液体、气体并列的物质第四态。以50000K为界，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类，电弧属于后者。实际上，宇宙中约90％的物质都是等离子体。固体冰液体水气体水汽等离子体电离气体温度00C1000C100000C等离子体是物质的第四态密度(cm-3)温度(度)太阳核心磁约束聚变霓虹灯北极光火焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体液体固体人类居住环境惯性聚变星云太阳风等离子体参数空间：密度跨越了30个量级温度跨越了7个量级开关电弧是电弧等离子体的一种。开关电弧的主要外部特征有：(1)电弧是强功率的放电现象在开断几十千安短路电流时，以焦耳热形式发出的功率可达l0000kW。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在电弧区的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中．电弧燃烧时间比正常情况只多一二十毫秒，开关就会出现严重烧损甚至爆炸。在用灭弧能力很弱的隔离开关开断负荷电路时(属于误操作)，电弧能使操作者大面积烧伤。(2)电弧是一种自持放电现象不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。如在大气中，每厘米长电弧的维持电压只有15V左右。在大气中，在100kV电压下开断仅5A的电流时，电弧长度可达7m。电流更大时，可达30m。因此，单纯采用拉长电弧来熄灭电弧的方法是不可取的。(3)电弧是等离子体，质量极轻、极容易改变形状电弧区内气体的流动，包括自然对流以及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达每秒几百米。设计人员可以利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。3.电弧的组成部分电弧通常分为三个区域：阴极区、弧柱区、阳极区（－）（＋）阳极区阴极区弧柱阴极和阴极区电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。阴极的作用是发射大量电子，在电场的作用下趋向阳极方向从而构成阴极区的电流。电弧的阴极区对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在几个很小的区域，这个小区域称为阴极斑点，它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大．是电弧放电中强大电子流的来源。阴极发射电子的机制有两种：热发射和场致发射。弧柱阴极表面电于发射只形成阴极区的电流，弧柱部分导电需要在弧柱区域也能出现大量自由电子，这就需要使弧柱区的气体原子游离。气体原子游离的方式通常有电场游离和热游离两种。与可逆化学反应相似。在电弧中一方面由于热游离使得正离子与电子不断增多。同时也存在去游离的作用，使正离子和电子减少。去游离包括复合和扩散两种方式。弧柱的特性和物理过程对电弧起着重要的作用。开关电弧中主要研究的就是弧柱的特性。阳极和阳极区可把阳极分为被动型和主动型两种。在被动型中。阳极只起收集电子的作用。在主动型中，阳极不但收集电子而且产生金属蒸气，因而也可以向弧柱提供带电粒子。阳极表面也存在阳极斑点。上述三个区域对电弧的作用因电弧的情况不同而不同。对于长度只有几个毫米的电弧。电弧电压主要由阴极区压降和阳极区压降组成，其中的物理过程对电弧起主要作用。这种电弧称为短弧。而对于长度较大的电弧，弧柱则起主要作用，阴极、阳极的过程不起主要作用甚至可以忽略，这种电弧称为长弧。在开关中的电弧一般属于长弧。4.电弧发生的条件电路开断时电弧的发生在触头开始分离时．作用在它们之间的接触压力将减少，接触面积也缩小，接触电阻和触头中放出的热量就增加。热量集中在很小的体积中，金属被加热到高温而熔化。在触头之间形成液态金属桥，最后金属桥被拉开，在触头之间形成过渡的或稳定的电弧。如果放电是稳定的，就是所谓的开断电弧。放电稳定性与很多因素有关，如在开断的的电流、触头电路的特性、触头分离的速度等。为了使电弧点燃，某一最低电流值是必需的。触头闭合时电弧的发生真空和气体间隙的击穿从辉光放电到电弧放电的转变从火花放电到电弧放电的转变5.直流电弧电弧的伏安特性说明电弧电压和电流的关系，是电弧最重要特性之一。电弧电压与电流之间的函数关系，首先决定于电弧间隙的物理过程。弧柱的物理状态不是静止的，始终进行着游离和去游离过程、如果游离和去游离过程相平衡，则弧柱处于动平衡状态而不是时间的函数。弧柱处于平衡的工作状态称为静态或稳态。稳态电弧(直流稳定电弧)的伏安特性，称为静特性。电弧的静特性曲线一般是下降的，其原因是当电流增加时，电弧通道的截面增加，温度也升高，因此电弧电阻很快下降。直流电弧的静态伏安特性当电弧工作状态改变时，弧柱动平衡被破坏，发生过渡过程。如果电弧中电的过程改变得慢，热的过程来得及跟上，则电压与电流的关系仍和静态一样，如果电的过程改变得快，以至热的过程跟不上其改变的过程而出现热迟滞现象，这时的伏安特性称为动特性。处于不稳定状态的直流电弧和交流电弧，其伏安特性为动特性。直流电弧的动态伏安特性直流电弧的燃烧和熄灭（1）直流电弧的工作点adiURiLudtauURi（2）直流电弧的熄灭条件()0aadiLURiudtdidtuURi物理意义为：当电源电压在不足以维持稳态电弧电压及线路电阻压降的条件下，电弧即熄灭。6.交流电弧电弧电流和电压随时间的变化关系小电流时大电流时交流电弧在一周期内的伏安特性电压恢复过程与介质恢复过程在触头分断电路时，要产生电弧，并在电弧电流过零时熄灭。而弧隙上（两触头之间）的电压要从熄弧电压变到电源电压，不能突跳，要有一个变化过程，这个过程就称为电压恢复过程。电压恢复从原理上讲可以是周期性振荡恢复，也可以是非周期性恢复。电流过零熄灭后，弧隙从原来的电弧通道逐渐变为绝缘介质的过程就是介质恢复过程。弧隙介质恢复强度用弧隙所能耐受的电压表征。电弧熄灭与否，取决于这两个同时发生而又作用相反的过程的“竞争”恢复电压(recoveryvoltage)的定义：电流分断后，出现于开关一个极的两端子间的电压。该电压可以认为是连续的两段，起初是瞬态恢复电压，接着是工频恢复电压。瞬态恢复电压（transientrecoveryvoltage,简称TRV）：具有显著瞬态特性时间内的恢复电压。工频恢复电压（power-frequencyrecoveryvoltage，简称PFRV）：瞬态电压现象消失后的恢复电压。对电器开断性能来说，在熄弧过程中起重要作用的恢复电压正是瞬态恢复电压，但它的大小又受到工频恢复电压大小的影响。交流电弧的熄灭与重燃电流自然过零时．交流电弧的熄灭过程基本上分为两大阶段：第一阶段是弧隙电阻增加阶段。在电流过零前电弧燃炽时，弧隙的电阻很低，当电流接近自然过零时，弧隙的温度还是很高的，弧隙中还存在着热游离和大量离子．但这时输入弧隙的能量是减少的，电弧电阻由低向高过渡。当电弧电流过零以后，电弧电阻很快上升，达到相当高的数值，为弧隙从导体状态转变成介质状态创造了条件。第二阶段是介质强度恢复阶段。这时热游离早巳停止，导体变成介质，介质强度增加。在这两个阶段中．电弧熄灭的条件也不同。在第一阶段．弧隙还是个导体，有剩余电流通过，因此弧隙仍得到能量。为了保证电弧熄灭、就必须使电弧能量扩散大于能量输入，迅速去游离。在第二阶段，介质强度恢复始终高于电压恢复时，电弧熄灭。